XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Мобильный космопорт
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение.
Космопорт - космодром — это комплекс сооружений, оборудования и земельных участков, предназначенный для приёма, хранения, сборки, испытаний, подготовки и пуска ракет-носителей (РН) с космическими аппаратами (КА). В зависимости от места расположения космодром имеет одну или несколько трасс пуска (в их направлении проходит активный участок полёта ракет), вдоль которых расположены измерительные пункты.
При выборе места для строительства космодрома учитываются такие факторы, как наличие зон отчуждения (участков незаселённой или малонаселённой местности) для падения отделяемых частей ракет в штатных и аварийных ситуациях, а также хорошо развитой сети транспортных и энергетических магистралей. Важно и географическое расположение места старта. Например, в зависимости от широты места старта, меняется добавка к характеристической скорости ракеты за счёт суточного вращения Земли: дополнительная линейная скорость (на экваторе 465 м/с, а на широте Байконура — 316 м/с) при заданной мощности Р позволяет вывести на орбиту в восточном направлении полезный груз (ПГ) большей массы.
Космопорт — это аэропорт будущего. У него будет несколько функций:
для полетов космонавтам на другие планеты;
для космического путешествия;
эвакуация населения в случае ЧС - «Ноев ковчег»;
для исследования космического пространства;
для доставки ресурсов из космоса.
Мне захотелось воплотить в реальность свою мечту – полет на Марс. В недалеком будущем, земляне построят такой космический порт и свяжутся с другими цивилизациями. А для этого необходимо основательно подготовиться.
Цель: доказать необходимость мобильного космодрома.
Задачи:
1. Изучить технологические особенности структуры космодрома;
2. Выделить объекты для мобильного космодрома;
3. Изучить логистику мобильного космодрома;
4.Изучить способы увеличения скорости движения ракет.
Новизна – мобильные модули (фермы), которые обслуживают стартовые площадки стационарных комплексов. Возможность расположения пусковых площадок во всех регионах России для осуществления полетов космических кораблей.
Объект исследования – увеличение скорости ракеты, уменьшение затрат для запуска ракет.
Предмет исследования – логистика мобильной части космодрома.
2. Структура космодрома.
Обычно космодром включает ряд объектов, предназначенных для подготовки и осуществления космических запусков: технический комплекс (ТК) для сборки и обслуживания ракетоносителя(РН) и космического аппарата (КА), стартовый комплекс (СК) для пуска, средства измерительного комплекса для мониторинга траектории запуска.
С заводов-изготовителей РН и КА доставляются (по блокам или полностью собранными) на техническую позицию космодрома по железным и шоссейным дорогам, авиационным, речным и морским транспортом.
В мировой практике используются три метода технической подготовки РН: фиксированный, мобильный и смешанный. При первом — проверка ступеней, сборка, предстартовая проверка и пуск ракет осуществляются на стартовой позиции. При втором — ступени проверяются и собираются на технической позиции, а предстартовая проверка и пуск выполняются на стартовой позиции. При третьем — проверка ступеней РН производится на технической, а сборка и установка ракет в вертикальное положение, проверка и пуск — на стартовой позиции.
РН и КА собираются и проверяются в монтажно-испытательном корпусе (МИК) на технической позиции; для сборки и стыковки ступеней ракет с твердотопливными двигателями (РДТТ) обычно строится отдельный МИК.
По принятой в России технологии сборка и проверка ступеней ракет производится горизонтально на монтажно-стыковочных тележках. После испытаний отдельных ступеней, в зависимости от принятой технологии, носитель интегрируется в горизонтальном или вертикальном положении на сборочном стапеле или на пусковой платформе, и проходит автономные и комплексные испытания. Собранная и испытанная ракета перекладывается на транспортно-установочный агрегат или транспортно-установочную тележку.
Параллельно со сборкой ракеты, в отдельном модуле или специальном помещении собирается и испытывается космические аппараты, который затем перевозится на заправочную станцию для заправки двигательной установки (ДУ) компонентами топлива и сжатыми газами. Интеграция КА и РН может осуществляться в специальном модуле или непосредственно на стартовом комплексе.
После совместных испытаний носитель транспортируется на стартовую позицию, устанавливается на пусковую установку (ПУ) или пусковое сооружение, к нему подводятся топливные, электрические, пневматические и другие коммуникации, он заправляется компонентами ракетного топлива и сжатыми газами, производится проверка функционирования отдельных элементов. Затем производится пуск ракеты. При несостоявшемся пуске топливо из носителя сливается, в случае применения токсичных компонентов топливные баки нейтрализуются, ракета снимается с ПУ и перевозится обратно на техническую позицию.
Условно СК можно разделить на неподвижные, частично-подвижные и мобильные.
К первому типу относятся комплексы, пусковые установки и башни обслуживания, которые расположены на одном месте. Носитель с КА на борту доставляется к ПУ на транспортно-установочном агрегате. Такой тип СК характерен для большинства отечественных и многих иностранных космодромов.
При частично-мобильном исполнении ПУ или её часть (например, пусковая платформа РН Saturn-5 и многоразовой системы Space Shuttle) являются подвижными, но пуск выполняется из фиксированной точки космодрома.
Мобильные СК характерны, преимущественно, для РН легкого и среднего классов. Пуск с мобильного комплекса может осуществляться в любом месте, отвечающем требованиям безопасности и подходящим с точки зрения параметров целевой орбиты.
В зависти от способа старта мобильные СК делятся на грунтовые, железнодорожные, воздушные и морские. Примером мобильного старта грунтового базирования является космический ракетный комплекс «Старт-1», в котором пуск твердотопливной РН осуществляется из транспортно-пускового контейнера, размещенного на колесном шасси высокой проходимости. СК железнодорожного базирования применялись пока только для боевых ракет, таких, как советская РТ-23УТТХ «Молодец». Воздушный старт ракеты реализован в американском космическом ракетном комплексе легкого класса «Пегас». Мобильные космодромы морского базирования представлены международным проектом Sea Launch («Морской старт»). Этот тип космодрома имеет свои важные преимущества и недостатки, о которых будет сказано ниже.
Каждый СК оснащён системами заправки носителя компонентами топлива, башней обслуживания ракеты, стоящей на ПУ, оборудованием предстартовой подготовки и центром управления пуском/полётом.
Компактное размещение комплексов космодрома и их группировка по классам носителей имеют большое значение для расширения диапазонов секторов азимутов пуска с каждого СК, централизованного использования оборудования и сооружений космодрома.
Космодромный измерительный комплекс используется при подготовке ракеты к пуску, во время выведения на заданную орбиту, для контроля функционирования РН и КА в полёте и определения элементов траектории. Измерительные пункты (ИП) располагаются относительно трассы полёта так, чтобы обеспечить непрерывное слежение за выведением РН. После предварительной обработки полученная информация передаётся по каналам связи в вычислительный центр космодрома.
В целом, современный космодром — сложное, многоотраслевое предприятие, занимающее обширную территорию, насыщенную транспортными и инженерными коммуникациями, линиями связи и электропередач. Иногда размеры этой территории составляют сотни квадратных километров, обслуживающий персонал достигает десятков тысяч человек. Зачастую здесь организовано производство некоторых компонентов ракетного топлива и элементов КА.
Новый космодром будет расположен непосредственно в России. Всё это даёт нашей стране возможность независимого доступа в космос. Не нужно будет заключать договор с соседним государством. Тем не менее, аренда "Байконура" продолжится. Никто не собирается уходить с данного космодрома. Но то, что у России будет свой собственный высоклассный, лучший в мире космодром - позволит ей развивать собственную амбициозную космическую программу.
2.1 Принципы построения космодрома.
3 принципа построения космодрома
1. Удаленность от населенных пунктов - обозначена из соображений безопасности гражданского населения.
2. близость транспортных магистралей - необходимы подъездные пути для доставки оборудования, топлива, людей и других ресурсов.
3. удаленность от государственных границ – возможность избежать конфликтов с соседними государствами в части пересечения государственной границы посредством отработанных частей (ступеней) ракет.
2.2 Способы увеличения скорости ракеты:
Использование более эффективного топлива.
Твердое ракетное топливо
Сегодня дымный порох используют в основном в петардах, салютах и других пиротехнических изделиях, хотя изначально именно он был первым ракетным топливом. Одно из четырех великих китайских изобретений – по отдельным данным, смесь селитры, древесного угля и серы использовали в ракетах еще во втором веке нашей эры. Твердое ракетное топливо – это вещество, или смесь веществ, которые способны гореть без доступа кислорода, при этом выделяя достаточно много газа. Среди достоинств твёрдотопливных двигателей, называют относительную простоту в изготовлении и применении, отсутствие проблемы с утечками токсичных веществ, надежность и возможность долговременного хранения топлива. Недостатки таких двигателей – это невысокий удельный импульс, трудности в управлении тягой двигателя и его повторным запуском, высокий уровень вибраций при работе. Из-за недостатков твёрдотопливных двигателей, первыми в космос полетели именно ракеты с двигателями на жидком топливе, хотя, твердые горючие смеси были изобретены раньше. Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
Жидкое ракетное топливо.
Жидкостные реактивные двигатели могут использовать в качестве топлива одно-, двух- и трёхкомпонентные смеси. У них высокий удельный импульс, их можно останавливать и повторно запускать, что важно при маневрировании в космосе, сами ракеты на жидкостных двигателях получаются легче. Но они сложнее устроены и дороже: система топливных баков, трубопроводов и насосов требует более тщательной подготовки и проверки в процессе сборки и перед запуском.
Элементы жидкого топлива – это горючее и окислитель. Они подаются из разных баков под давлением через форсунки и перемешиваются в камере сгорания. После воспламенения начинается процесс горения, которое продолжается, пока горючее и окислитель поступают в камеру. Керосин, водород, сжиженный для закачки в баки и азотно-водородное соединение гидразин – основные виды горючего для жидкостных ракетных двигателей. Если в качестве горючего используют керосин или водород, в качестве окислителя применяют сжиженный кислород. Если горючим выступает гидразин, то - как окислительиспользуют 4окись азота - N2O4.
Чище остальных горит водород – соединяясь с кислородом, он выделяет только тепло и водяные пары. Керосин, который очищают, чтобы использовать как горючее, при сгорании выделяет угарный и углекислый газы.
Топливо будущего
Химические ракетные топлива, и жидкие, и твердые, способны вывести космические аппараты на околоземные или лунные орбиты, но для дальних космических миссий их может быть недостаточно.
Одно из предложений, которое может решить проблему с дальними полетами – это ядерные двигатели. По расчетам, ядерный тепловой двигатель может доставить ракету на Марс всего за три месяца. Одна из американских компаний предложила использовать ядерный двигатель со сжиженным водородом в качестве рабочего тела. В такой системе реактор вырабатывает тепло из уранового топлива. Это тепло нагревает жидкий водород, который при расширении и создает тягу. Разработки ядерных ракетных двигателей начинались еще в пятидесятых годах, но пока ни один из таких аппаратов не был запущен.
Использование более мощного двигателя:
А в марте 2021 года в Роскосмосе сообщили, что в 2025-2030 годах планируют испытать еще одну перспективную разработку – новые ионные двигатели мощностью от 200 Вт до 35 кВ. Ионные двигатели – это тип электрических ракетных двигателей, которые создают тягу на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Такие разработки уже используются в космических миссиях. Ионные двигатели отличаются малым расходом топлива и долгим временем работы. Следовательно уменьшение размеров и массы самой ракетоносителя влечет уменьшение размеров всех модулей (ферм) космодрома!
2.3 Актуальность данной исследовательской работы относительно высока. Прежде всего, хочется подчеркнуть важность и необходимость освоения космического пространства для нас. Изучение космоса даёт нам познание окружающего мира, развитие новых технологий, возможность добраться до новых сырьевых ресурсов, ведь в будущем, когда человечество исчерпает все свои запасы, нам придется искать их вне Земли, поэтому сейчас разрабатываются технологии, которые могут сделать реальными добычу полезных ископаемых вне нашей планеты. Для изучения необходимо специальное оборудование, которое находится на спутниках и орбитальных станциях. А чтобы доставить это оборудование, необходим космический грузовой транспорт. Именно необходимость пополнять запасы постоянно действующих на орбите Международных космических станций связана с разработкой космических перевозок. Сложные технические сооружения не могут долгое время автономно работать на околоземной орбите без пополнения продовольствием для экипажей космонавтов и оборудования для научных экспериментов в условиях космоса. Также результаты исследований необходимо периодически отсылать на Землю для обработки и научного анализа. Космические грузоперевозки сталкиваются с рядом проблем. Наиболее серьёзными являются огромная дороговизна космических запусков и невозможность повторного использования ракет-носителей. Стоимость доставки грузов на орбиту в разных источниках довольно сильно отличается. Регулярно не учитывается стоимость работы наземных служб, и тем более — страхования, стоимость которого может очень сильно отличаться в зависимости от статистики отказов ракеты. Поэтому сравнивать стоимость пуска ракеты-носителя очень тяжело, и в открытой информации можно увидеть лишь приблизительные значения. Пока один запуск обходится около 50-100 млн долларов и выше, в основном из-за невозможности повторного использования ракет-носителей. Кроме того, их первые ступени неуправляемо падают на поверхность Земли и не всегда полностью сгорают в атмосфере. Увеличение спроса на коммерческие запуски стимулирует поиск решений, позволяющих снизить стоимость выведения на орбиту единицы массы полезного груза. Именно переход к многоразовым ракетам-носителям снизит стоимость доставки грузов и сделает этот процесс более экологичным. Первые две ступени многоразовой ракеты-носителя после отработки своих участков полета производят посадку на площадку космодрома, а затем — после проверки систем, технической подготовки и заправки — используются для следующих запусков. Многоразовые ракеты-носители смогут выводить на околоземную орбиту как пилотируемые, так и автоматические космические аппараты массой до 25-35 тонн. В истории космонавтики были две «ресурсосберегающие» системы. Ускорители, разработанного еще в СССР, «Бурана» опускались на землю на парашютах, а американские Space Shuttle «приводнялись» на поверхность океана. И в том, и в другом случае их можно было использовать повторно, но обе программы давно закрыты. Так как 2016 год еще не закончился, посмотрим статистику результатов космических запусков в 2015 году. В 2015 году осуществлено 87 запусков ракет космического назначения, из них пять неудачных (три аварийных и два нештатных). На орбиту было выведено восемь автоматических грузовых кораблей (российские: три "Прогресса М- М" и один новый "Прогресс МС"; американские: два Dragon, "Дрэгон", и один Cygnus, "Сигнус"; один японский HTV KOUNOTORI, "Эйч-ти-ви КОНОТОРИ"), американский военный экспериментальный орбитальный самолет X-37В OTV и порядка 220 различных космических аппаратов, включая миниспутники. Пилотируемые и грузовые корабли доставляли на Международную космическую станцию (МКС) экипажи и различные грузы. Космический год открылся 10 января: США провели запуск с космодрома на мысе Канаверал ракеты-носителя Falcon 9 ("Фэлкон-9") с многоразовым автоматическим кораблем Dragon и четырьмя спутниками (из них один бразильский). Завершился запуском 28 декабря Китаем с космодрома Сичан ракеты "Великий поход-3B", которая вывела на орбиту спутник Gaofen 4 ("Гаофэнь-4"). Россия пока сохраняет лидирующие позиции на коммерческом рынке доставки грузов в космос. Основным преимуществом отечественной космонавтики является более низкая, чем у конкурентов, стоимость вывода на орбиту полезной нагрузки. По данным исследования РБК, средневзвешенная по количеству запусков последних пяти лет рыночная стоимость доставки максимальной полезной нагрузки на низкую опорную орбиту (НОО) с помощью российских ракет составила $6,3–8,9 тыс./кг. О возможности экономии при запуске задумываются уже давно в России. «Возвращаемая первая ступень – один из вариантов, которые сегодня рассматриваются для удешевления стоимости вывода полезной нагрузки в космос», утверждают в пресс-службе Объединенной ракетно-космической корпорации (ОРКК). Специалисты ОРКК считают, что экономически эта идея обоснована: самый дорогостоящий элемент первой ступени, двигатель, разрабатывается с существенным запасом прочности, позволяющим осуществлять несколько запусков. Разработка ракеты с многоразовой первой ступенью предусмотрена проектом федеральной космической программы до 2025 года. Однако стоит заметить, что и создание многоразовой ракеты-носителя имеет свои минусы. Стоимость изготовления ракеты нужно будет делить на количество возможных повторных пусков, к ним добавятся затраты на топливо, на экспедицию по возвращению ступеней к месту старта. Также будет необходимость размещения на ракете дополнительных систем, обеспечивающих посадку первой ступени, включая дополнительные посадочные двигатели, горючее для них и так далее. Все это утяжеляет ракету-носитель, уменьшая массу выводимой на орбиту полезной нагрузки на 10–30%. Кроме того, проверка возвращенной первой ступени на надежность и отсутствие серьезных дефектов после ее посадки по стоимости может быть сравнима с постройкой ее заново. Конечно спасая первую ступень, можно сэкономить деньги на ее создании заново для следующих запусков. С другой стороны – теряя массу полезной нагрузки, компания теряет деньги за ее вывод на орбиту. Сейчас цена двигателей ракеты составляет до 40% стоимости всего запуска, которая, в свою очередь, колеблется в пределах $60–100 млн. То есть проект можно будет считать успешным, если затраты на технические решения по возврату ступени, ее повторную подготовку и потери доходов от уменьшения массы выводимого груза не превысят $25–40 млн.
Также хочется отметить, 2015-й год запомнился, прежде всего, экспериментом по посадке в заданную точку многоразовой ракеты-носителя. Полет ракеты-носителя Falcon 9, завершившийся успешной стыковкой космического грузовика Dragon к МКС. Компания SpaceX предприняла попытку сохранить первую ступень ракеты для повторного использования и вернула ее назад на Землю, на специально созданную платформу. Хотя при возвращении аппарат был поврежден при «жесткой» посадке, точность попадания на посадочную площадку дает руководству компании повод для оптимистичных прогнозов. Удачное возвращение ракеты- носителя на Землю позволило бы использовать ее повторно. Это может значительно снизить стоимость следующего запуска.
А теперь рассмотрим идею другой частной инновационной компании. Японский строительный гигант всерьез намерен реализовать научно-фантастическую идею космического лифта, впервые высказанную еще в конце XIX века Константином Циолковским. По задумке разработчиков, лифт сможет поднимать людей и грузы на высоту более 96 км, где будет создана новая космическая станция. В связи с этим может отпасть необходимость в запуске кораблей с космодромов, расположенных на Земле, что может полностью перевернуть всю космическую отрасль. Однако существующие пока технологии не позволяют построить такой лифт. Для создания тросов из сверхпрочного углеродного волокна соответствующей длины не хватает мощностей. Японцы планируют решить эту проблему к 2030 году, а строительство самого лифта закончить в 2050 году.
3. Вывод: из всего вышеизложенного можно сказать, что на данный момент одной из приоритетных ресурсосберегающих космических систем является пока только разработка многоразовой ракеты-носителя. Их разработка, реализация будет занимать многие десятки лет.
А так же я выяснила, что увеличение скорости движения ракеты за счет использования ионного двигателя, сокращение размеров и массы ракеты позволит строить компактные космодромы.
В своей работе я детально рассмотрела структуру и функционал космодрома, изучила логистику запусков космических аппаратов.
В перспективе планирую:
Предложить программу по сокращению затрат на аренду космодрома Байконур, и запуска ракетоносителей.
Разработать местоположения космодромов и пусковых площадок в мирных целях, в различных регионах России и на Луне.
4. Список использованной литературы:
1. Логистика и управление цепями поставок. Теория и практика. Основы логистики. Аникин Б.А.; Родкина Т.А. Учебное пособие / Москва, 2014.
2. Воронов В.И. Международная логистика. Вестник университета (Государственный университет управления). 2004. Т.700.с.700.
3. Оленева В. К. Исследование основных инструментов управления производственными логистическими цепями предприятий РКО. Агентство международных исследований. "Новая наука: от идеи к результату", Сургут 2016 г. С. 131-135.
4. Кривоносов Н.А. Космические перевозки как новая зарождающаяся отрасль транспорта. Приоритетные научные направления: от теории к практике. 2016. № 22. С. 221-226.
5.[Электронный ресурс] / Режим доступа: http://soyuzcargo.ru/ru/news/interest_fact/251/